基于三维导电网格的染料敏化太阳能电池及其载流子传输机制研究

It is an important topic to optimize the charge transport process to improve the power conversion efficiency (PCE) of dye sensitized solar cells（DSC）.We propose to improve the electron collection efficiency and PCE by designing new structured photoelectrodes and counter electrodes. Inverse opal structured fluorine-doped tin oxide (FTO) was chosen as the 3D conductive grid (3DCG) model. In photoelectrodes, FTO-3DCG can collect the diffusing electrons from TiO2 (or holes from NiO) efficiently, and transport them to the conductive substrate quickly. In the counter electrodes, FTO-3DCG can improve the interface area between counter electrode and electrolytes and load more Pt nanoparticles, improving the charge transport process. Combining the micro/nano structure analysis and Jsc-Voc, open-circuit photovoltage decay (OCVD), electrochemistry impedance spectroscopy (EIS), etc., the effects of FTO-3DCG on the electron lifetime, Voc, Jsc, PCE will be investigated in detail, which will be helpful for understanding the charge transport process and recombination process deeply. The research will be significant for designing new photoelectrode and improve the PCE.

如何改善染料敏化太阳能电池(DSC)的电荷传输过程是研究提高光电转换效率的重要课题。本项目拟通过n-型、p-型及pn-型DSC光电极、对电极的结构设计，提高光电子的收集效率进而改善光电转换效率。首先，采用反蛋白石结构氟掺杂氧化锡（FTO）为三维导电网格（3DCG）模型构造光电极和对电极,在光电极中利用FTO-3DCG收集TiO2中各方向的扩散电子（或NiO中各方向扩散的空穴），并将其快速传递到导电基底；而在对电极中，利用FTO-3DCG提高对电极与电解质的接触面积、增加Pt的催化活性位，改善电荷的传输。然后，通过微纳结构分析、电流密度-电压曲线谱、电子寿命谱、阻抗谱等，深入研究FTO-3DCG影响电子寿命、电池开路电压、短路电流、转换效率等性能的原因，深入理解影响DSC性能的关键因素-电荷传输与复合的过程和机理。本项目的成功实现将对DSC新型电极设计和性能提高具有重要的意义。

发展清洁能源对解决环境污染和能源危机问题具有重要意义。染料敏化太阳能电池制造成本低，所用材料环境友好。如何增强电荷的抽提和对光的捕获，从而进一步提高染料敏化太阳能电池的性能，是下一代染料敏化太阳能电池发展方向之一。本项目拟通过染料敏化太阳能电池光电极、对电极的结构设计，提高光电子的收集效率进而改善光电转换效率。（1）采用反蛋白石结构氟掺杂氧化锡（FTO）为三维导电网格模型构造光电极和对电极,在光电极中利用导电网格收集光电极各方向的扩散电子，并将其快速传递到导电基底；（2）在对电极中，利用三维导电网格、构造透明导电多孔薄膜提高对电极与电解质的接触面积、增加Pt 的催化活性位，改善电荷的传输。然后，通过微纳结构分析、电流密度-电压曲线谱、电子寿命谱、阻抗谱等，深入研究导电网格或多孔导电薄膜影响电子寿命、电池开路电压、短路电流、转换效率等性能的原因，深入理解影响DSC 性能的关键因素-电荷传输与复合的过程和机理；（3）构造了不同三维阵列结构的光电极，通过优化电荷传输及抑制界面复合，有效提高了光电极的电子收集效率与电池的光电转换效率。研究成果发表在 Electrochimica Acta，Dalton Transactions，Chemical Engineering Journal，Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry，Applied Catalysis B-Environmental等期刊共13篇；相关研究成果共申请发明专利7 项。